JP2609728B2 - MIS interface evaluation method and apparatus - Google Patents

MIS interface evaluation method and apparatus

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体と絶縁膜の界面、中でも、シリコン
とシリコン酸化膜の界面の評価方法、及び、評価装置に
関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an evaluation method and an evaluation apparatus for an interface between a semiconductor and an insulating film, in particular, an interface between silicon and a silicon oxide film.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

シリコン−シリコン酸化膜界面の評価法として、従来
から、MOS容量を用いたC−V((Capacitance−Voltag
e))法があり、ソリッド・ステート・エレクトロニク
13(1970)第837頁から第885頁(Solid State Electr
on.13(1970)pp873〜885)において論じられている。
また、半導体中の不純物や欠陥の準位や密度を求める方
法としてDLTS((Deep Level Transient Spectroscop
y))法があり、この方法をMOS構造の界面状態の解析に
適用した例として、アプライド フィジックス,18(19
79)第169頁から第175頁(App1.Phys.18(1979)pp169
−175)に記載されている。
Conventionally, as a method of evaluating the silicon-silicon oxide film interface, CV ((Capacitance-Voltag)
e)) There is a method, solid state electronics 13 (1970) pages 837 to 885 (Solid State Electr)
on. 13 (1970) pp 873-885).
DLTS (Deep Level Transient Spectroscop) is a method for determining the levels and densities of impurities and defects in semiconductors.
y)) method, and as an example of applying this method to the analysis of the interface state of a MOS structure, see Applied Physics, 18 (19
79) Pages 169 to 175 (App1. Phys. 18 (1979) pp169)
−175).

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記、C−V法では、MOS容量を用いて、バイアス電
圧を変化させたときの半導体接合部の空乏層容量の変化
から、シリコン−シリコン酸化膜の界面準位密度を求め
る方法であり、DLTS法、及び光励起DLTS法では、MOS容
量に、パルス電圧を印加、又は、パルス光を照射した時
の、界面準位にトラップされたキャリアの熱解離過程で
生じる接合部の過度容量変化の時定数を、広い温度範囲
で測定することにより、界面準位、及び界面準位密度を
求める方法で、いずれも、微小容量の変化を測定するた
め、数10PF以上の容量が必要で、大面積のMOS素子が必
要であり、精度も低い等の欠点があった。
The CV method is a method of obtaining the interface state density of a silicon-silicon oxide film from a change in a depletion layer capacitance at a semiconductor junction when a bias voltage is changed by using a MOS capacitor. In the method and the photo-excited DLTS method, when a pulse voltage is applied to a MOS capacitor or when pulsed light is irradiated, the time constant of the transitional capacitance change of the junction caused by the thermal dissociation process of the carriers trapped in the interface state Are measured over a wide temperature range to determine interface states and interface state densities.In each case, a capacitance of several tens of PF or more is required to measure the change in minute capacitance. There are drawbacks such as the necessity of an element and low accuracy.

本発明の目的は、実際のLSIを構成する基本素子であ
るMOSFETと同じ程度の面積で、シリコンとシリコン酸化
膜の界面、さらに半導体と絶縁膜との界面に形成された
トラップ準位、及びトラップ準位密度を、正確に、簡単
に求める方法及び、装置を提供するにある。
An object of the present invention is to provide a trap level and a trap level formed at the interface between silicon and a silicon oxide film, and further at the interface between a semiconductor and an insulating film, in the same area as a MOSFET which is a basic element constituting an actual LSI. An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for accurately and easily determining a level density.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的を達成するために、LSIの構成単位素子であ
るMOS・FETと同じ面積で、ゲート電極と、ソース及びド
レイン電極をもつ半導体基板との間のゲート絶縁膜中
に、周囲から絶縁された半導体材料からなる浮遊電極を
有する構造のFETセルを用いる。この浮遊電極と絶縁膜
との界面に形成されたトラップにキャリアを捕獲させ
る。このトラップにキャリアが捕獲される前後のゲート
電極からみたFETセルのしきい電圧をVG0,及びVG1とする
と、この両者の差VG1−VG0は、トラップに捕獲されたキ
ャリアの電荷量に比例する。浮遊電極と絶縁膜界面近傍
に、可視光〜紫外光領域の単色光を照射して、トラップ
に捕獲されたキャリアを励起させ、FETセルのしきい電
圧VG(t)を測定し、その減衰特性の時定数τを求め
る。次に、単色光の波長(光子エネルギーE)を変え
て、同様にして、時定数τ(E)を求める。この時定数
τ(E)の逆数は、単色光の入射光子数に対し、励起さ
れるキャリア数との比、即ち、量子効率に対応してい
る。この時定数の逆数1/τ(E)を入射光子エネルギー
Eの関数として求めることにより、浮遊電極と絶縁膜の
界面に形成された界面準位密度、及び、その分布関数が
求められる。
In order to achieve the above object, in the gate insulating film between the gate electrode and the semiconductor substrate having the source and drain electrodes, the gate insulating film is insulated from the surroundings in the same area as the MOS / FET which is a constituent element of the LSI. An FET cell having a structure having a floating electrode made of a semiconductor material is used. Carriers are captured by traps formed at the interface between the floating electrode and the insulating film. When the threshold voltage of the FET cell viewed from the front and back of the gate electrode carrier in this trap is captured and V G0, and V G1, the difference V G1 -V G0 of both the amount of charge carriers trapped in the trap Is proportional to The vicinity of the interface between the floating electrode and the insulating film is irradiated with monochromatic light in the visible to ultraviolet region to excite the carriers trapped in the trap, and the threshold voltage V G (t) of the FET cell is measured. Find the time constant τ of the characteristic. Next, the wavelength constant (photon energy E) of the monochromatic light is changed, and the time constant τ (E) is similarly obtained. The reciprocal of the time constant τ (E) corresponds to the ratio of the number of incident photons of monochromatic light to the number of excited carriers, that is, the quantum efficiency. By calculating the reciprocal 1 / τ (E) of this time constant as a function of the incident photon energy E, the interface state density formed at the interface between the floating electrode and the insulating film and its distribution function can be obtained.

上記方法を具現化するには、上記供試試料であるFET
セルのしきい電圧を測定し、キャリアを注入する手段、
光量一定の波長可変の光源を有し試料に単色光を一定時
間照射する手段、上記照射時間と測定したしきい電圧か
ら、しきい電圧減衰の時定数を算出し、この時定数を単
色光の光子エネルギーEの関数として求め、これより界
面準位のエネルギー分布、及び界面準位密度を算出する
手段を具備した装置を用いる。又この界面を評価するた
めの測定用FETセルを、ウエハ内の複数箇所に設定して
おけば、ウエハ内の半導体と絶縁膜の界面状態の分布が
モニタできプロセス評価、ウエハのロット間評価、さら
には新しい半導体、及び絶縁膜材料の良否、及び、その
組合せの評価が可能となる。
To implement the above method, the above test sample, FET
Means for measuring the threshold voltage of the cell and injecting carriers,
A means for irradiating the sample with monochromatic light for a fixed time having a light source with a constant light amount and a variable wavelength, calculating a time constant of threshold voltage decay from the irradiation time and the measured threshold voltage, and calculating the time constant of the monochromatic light; An apparatus is used which is obtained as a function of the photon energy E and from which the energy distribution of the interface states and the interface state density are calculated. If measurement FET cells for evaluating this interface are set at a plurality of locations in the wafer, the distribution of the interface state between the semiconductor and the insulating film in the wafer can be monitored, and process evaluation, wafer lot-to-lot evaluation, Furthermore, it is possible to evaluate the quality of the new semiconductor and the insulating film material, and the combination thereof.

〔作用〕[Action]

以下、本発明に係わる半導体と絶縁膜との界面準位密
度の測定法の原理について説明する。
Hereinafter, the principle of the method for measuring the interface state density between a semiconductor and an insulating film according to the present invention will be described.

半導体と絶縁膜の界面に存在するトラップに、キャリ
アが捕獲されていない状態と、キャリアが捕獲されてい
る状態での、ゲート電極からみたFETセルのしきい電圧
を、それぞれVG0,VG1とする。尚、トラップにキャリア
を注入するには、半導体基板のソースとドレイン間に飽
和電流を流し、ドレイン近傍の高電界部分で発生するホ
ットキャリアを、ゲート電極に印加した電圧で発生する
絶縁膜中の電界で引き込む方法や、ゲート電極と基板間
の絶縁膜中に存在する電界により、トンネル電流、ある
いは、ファウラーノルドハイム(Fowler Nordheim)ト
ンネル電流として注入する方法がある。浮遊電極とゲー
ト電極の間の容量をC2とすると、トラップに捕獲された
キャリアの数No,電荷Qoは、 である。次に、波長λ(光子エネルギーE)、光量Pの
単色光を、浮遊電極と絶縁体界面近傍に、時間tだけ照
射し、トラップに捕獲されているキャリアを励起し、消
失させる。こと時、ゲート電極からみたFETセルのしき
い電圧をVG(t)とすると、トラップに残存するキャリ
アの数N(t)、電荷Q(t)は、次式で表わせる。
The threshold voltages of the FET cell as viewed from the gate electrode in the state where carriers are not captured and in the state where carriers are captured in traps at the interface between the semiconductor and the insulating film are denoted by V G0 and V G1 , respectively. I do. In order to inject carriers into the trap, a saturation current flows between the source and the drain of the semiconductor substrate, and hot carriers generated in a high electric field portion near the drain are generated in the insulating film generated by the voltage applied to the gate electrode. There are a method of drawing by an electric field and a method of injecting as a tunnel current or a Fowler Nordheim tunnel current by an electric field existing in the insulating film between the gate electrode and the substrate. When the capacitance between the floating electrode and the gate electrode and C 2, the number of carriers trapped in the trap No, charge Qo is It is. Next, a monochromatic light having a wavelength λ (photon energy E) and a light amount P is irradiated to the vicinity of the interface between the floating electrode and the insulator for a time t to excite and trap carriers trapped in the trap. At this time, assuming that the threshold voltage of the FET cell viewed from the gate electrode is V G (t), the number N (t) of carriers remaining in the trap and the charge Q (t) can be expressed by the following equation.

光照射時にトラップから励起されて流れる光電流I
(t)は、トラップに残存する電荷Q(t)により生じ
る絶縁膜中の電界FOXと、光量Pに比例するので、次の
微分方程式が成立する。
Photocurrent I that flows when excited from the trap during light irradiation
(T) is proportional to the electric field F OX in the insulating film caused by the charge Q (t) remaining in the trap and the light amount P, so that the following differential equation is established.

但し、εは絶縁膜の誘電率、bは定数である。上
記、微分方程式をQ(t)について解くと、次式が成立
する。
Here, ε I is the dielectric constant of the insulating film, and b is a constant. When the above differential equation is solved for Q (t), the following equation is established.

従って、 となり、(VG(t)−VG0)/(VG1−VG0)は、時間t
と、光量Pの指数関係で表わせ、 は、その減衰の時定数である。ここでFETセルに光量P
の単色光を照射したときの毎秒当りの入射光子数nPはEi
nsteinの関係式で表わせ、 である。但し、hはプランクの定数、Cは光速である。
Therefore, Next, (V G (t) -V G0) / (V G1 -V G0) , the time t
And the exponential relationship of the light amount P, Is the time constant of the decay. Here, the light amount P
The number n P of incident photons per second when irradiating
It can be expressed by nstein relation, It is. Here, h is Planck's constant and C is the speed of light.

N(t)/Noが1/e≒0.37(eは自然対数の底)に減衰
する迄の時間τの間に入射した累積光子数nP・τと、ト
ラップに捕獲されていたキャリアが励起され消失したキ
ャリア数No−N(τ)との比が、光子のキャリア励起確
率ηであり、ηは次式で表わせる。
The accumulated number of photons n P · τ incident during the time τ until N (t) / No decays to 1 / e ≒ 0.37 (e is the base of natural logarithm) and the carriers trapped in the trap are excited The ratio to the number of lost and lost carriers No-N (τ) is the photon carrier excitation probability η, which can be expressed by the following equation.

従って、時定数τの逆数は、光子のキャリア励起確率
に比例する。半導体と絶縁膜界面の不純物や欠陥に起因
する界面トラップのエネルギー準位図において、光子エ
ネルギーEより低い準位に捕獲されているキャリアは励
起されるが、Eより高い準位に捕獲されているキャリア
は励起されない。仮りに励起されたとしても、準位の低
い所に捕獲されていたキャリアが励起され、その準位が
空になってから励起されるので、E以上に捕獲されてい
るキャリアの励起確率は極めて小さいと考えられる。そ
こで、この界面に存在するトラップ密度のエネルギー分
布関数をnIT(E)として、光子エネルギーEの単色光
を照射した時、トラップに捕獲されたままのキャリアの
密度は であり である。一方、トラップに残存するキャリアの数は、前
式から であるから、この式をエネルギーEで微分し、t=τの
時の値を求めると、 となる。従って、ηを光子エネルギーEの関数として、
数値解析することにより、トラップ密度のエネルギー分
布関数が求められる。更に、絶縁膜とそれより狭いエネ
ルギーバンドギャップを有する半導体との界面に存在す
るトラップ密度N1Tは、半導体の価電子帯、及び導電帯
を、それぞれEV,ECとすると で求められる。
Therefore, the reciprocal of the time constant τ is proportional to the photon carrier excitation probability. In the energy level diagram of the interface trap caused by impurities and defects at the interface between the semiconductor and the insulating film, carriers trapped at a level lower than the photon energy E are excited, but are trapped at a level higher than E. No carriers are excited. Even if it is excited, the carrier trapped at a low level is excited and excited after the level is vacated. Therefore, the excitation probability of the carrier trapped above E is extremely high. Considered small. Therefore, assuming that the energy distribution function of the trap density existing at this interface is n IT (E), when monochromatic light of photon energy E is irradiated, the density of the carriers still trapped in the trap is: Is It is. On the other hand, the number of carriers remaining in the trap is Therefore, when this equation is differentiated by the energy E and the value at t = τ is obtained, Becomes Therefore, assuming that η is a function of the photon energy E,
By performing a numerical analysis, an energy distribution function of the trap density is obtained. Further, the trap density N 1T existing at the interface between the insulating film and the semiconductor having a narrower energy band gap is represented by E V and E C , respectively, where the valence band and the conduction band of the semiconductor are E V and E C , respectively. Is required.

〔実施例〕〔Example〕

以下、本発明の一実施例について、第1図から第11図
を用いて説明する。第1図から第3図は、評価用のFET
セルの断面構造を示す。第1図は半導体基板1、及び、
基板とは異なる極性の不純物を深くドープした埋込み層
2に、それぞれ異なる極性の不純物をドープして形成し
た、ソース3、及びドレインチを設け、ソース及びドレ
イン間のチャネル部5上に、評価対象とする絶縁膜6、
及び、多結晶シリコンから成る浮遊電極7を形成し、更
に、この上に、絶縁膜8、及び金属あるいは、多結晶シ
リコン等からなるゲート電極9を設けた構造のFETセル
を示し、通常の紫外線消去形不揮発性メモリEPROM(Ele
ctrically and Programmable Read Only Memory)製造
プロセスで作成できる。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 11. Figures 1 to 3 show the evaluation FETs.
1 shows a cross-sectional structure of a cell. FIG. 1 shows a semiconductor substrate 1 and
A buried layer 2 deeply doped with an impurity having a polarity different from that of the substrate is provided with a source 3 and a drain chin formed by doping impurities of different polarities, respectively. Insulating film 6,
An FET cell having a structure in which a floating electrode 7 made of polycrystalline silicon is formed, and an insulating film 8 and a gate electrode 9 made of metal or polycrystalline silicon are further provided thereon is shown. Erasable nonvolatile memory EPROM (Ele
ctrically and programmable read only memory) can be created by the manufacturing process.

第2図は、絶縁膜10上に非晶質シリコン11を堆積さ
せ、これを選択的に単結晶化し、この部分に所望の不順
物をドープして、ソース3、ドレイン4、及び、チャネ
ル領域5を形成し、チャネル領域5上に評価対象とする
絶縁膜6、及び半導体薄膜からなる浮遊電極7を形成
し、この上に絶縁膜8、及び、金属あるいは、多結晶シ
リコン等から成るゲート電極9を設けた構造のFETセル
を示し、SOI(Silicon On Insulator)プロセスを用い
て作製できる。
FIG. 2 shows that an amorphous silicon 11 is deposited on an insulating film 10, which is selectively monocrystallized, and a desired impurity is doped in this portion to form a source 3, a drain 4, and a channel region. 5, an insulating film 6 to be evaluated and a floating electrode 7 made of a semiconductor thin film are formed on the channel region 5, and an insulating film 8 and a gate electrode made of metal or polycrystalline silicon are formed thereon. 9 shows an FET cell having a structure provided with the semiconductor device 9 and can be manufactured using an SOI (Silicon On Insulator) process.

第3図は、半導体基板1、及び基板とは異なる極性の
不純物を深くドープした埋込み層2に、それぞれ異なる
極性の不純物をドープして形成したソース3、及びドレ
イン4を設け、ソース及びドレイン間のチャネル部5上
に、評価対象とする異種絶縁材からなる薄膜6a,6bを形
成し、この薄膜の界面近傍及び界面を浮遊電極7とし、
この上に絶縁膜8、及び、金属8あるいは多結晶シリコ
ン等から成るゲート電極9を設けた構造のFETセルを示
し、半導体基板1にシリコン、絶縁膜60,61にそれぞれ
二酸化シリコン、窒化シリコンを用いたものは、通常の
MNOS(Metal Nitride Oxide Semiconductor)型不揮発
性メモリの製造プロセスで作製できる。
FIG. 3 shows a semiconductor substrate 1 and a buried layer 2 deeply doped with an impurity having a polarity different from that of the substrate, provided with a source 3 and a drain 4 formed by doping impurities of different polarities, respectively. The thin films 6a and 6b made of different kinds of insulating materials to be evaluated are formed on the channel portion 5 of the above.
An FET cell having a structure in which an insulating film 8 and a gate electrode 9 made of metal 8 or polycrystalline silicon or the like are provided thereon is shown. The semiconductor substrate 1 is made of silicon, and the insulating films 60 and 61 are made of silicon dioxide and silicon nitride, respectively. The one used is a normal
It can be manufactured by a manufacturing process of an MNOS (Metal Nitride Oxide Semiconductor) type nonvolatile memory.

以下の評価用FETセルは、電気特性測定用の探針と電
気的導通を得るために、基板又は埋込層2、電極1、ソ
ース3、ドレイン4、ゲート電極9から金属薄膜で配線
され、その先端に電極パッドが設けられている。
The following evaluation FET cells are wired with a metal thin film from the substrate or the buried layer 2, the electrode 1, the source 3, the drain 4, and the gate electrode 9 in order to obtain electrical continuity with the probe for measuring electrical characteristics. An electrode pad is provided at the tip.

第4図は、評価用FETセルのしきい電圧の測定、及
び、浮遊電極あるいは絶縁膜界面、及びその近傍に、キ
ャリアを注入するための電気回路手段を示したブロック
ダイヤ図である。FETセル20の基板、又は埋込層の電極
パッド21、ソース電極パッド22、ドレイン電極パッド2
3、ゲート電極パッド24に、探針を接触させ、これらの
電極に所定の波形の電圧を印加するための可変電極31,3
2、及び矩形波発生器33と、FETセルのしきい電圧を測定
するための段階波あるいは三角波発生器34、比較器35、
基準電圧発生器36、しきい電圧測定と浮遊電極にキャリ
ア注入のための切替えスイッチ37、これらを制御するマ
イクロコンピュータ38、及び、遮光箱40から構成されて
いる。しきい電圧の測定は、切換スイッチ37をR側に接
続し、FETセルの基板、及びドレイン電極に所定の電圧
を加え、FETセルのソース電流が規定の電流値に流れる
までゲート電極に、段階波あるいは三角波を加える。ソ
ース電流が規定値に達した時、比較器35からの出力によ
り、ゲート電圧VGを測定し、各電極への印加電圧を0ボ
ルトとする。これらの制御は、マイクロコンピュータ38
を介して行う。キャリア浮遊電極への注入は、切替えス
イッチ37をW側に接続し、FETセルの基板、ソース、ド
レイン、及びゲートに所定の電圧波形を印加して行う。
これらの所定の電圧波形の設定、及び、印加は、マイク
ロコンピュータ38を介して行う。
FIG. 4 is a block diagram showing an electric circuit means for measuring the threshold voltage of the evaluation FET cell, and injecting carriers into and around the floating electrode or the insulating film interface. FET cell 20 substrate or buried layer electrode pad 21, source electrode pad 22, drain electrode pad 2
3.Variable electrodes 31 and 3 for bringing a probe into contact with the gate electrode pad 24 and applying a voltage having a predetermined waveform to these electrodes.
2, and a square wave generator 33, a step wave or triangular wave generator 34 for measuring the threshold voltage of the FET cell, a comparator 35,
It comprises a reference voltage generator 36, a changeover switch 37 for threshold voltage measurement and carrier injection into the floating electrode, a microcomputer 38 for controlling these, and a light shielding box 40. To measure the threshold voltage, connect the changeover switch 37 to the R side, apply a predetermined voltage to the substrate and drain electrode of the FET cell, and apply a predetermined voltage to the gate electrode until the source current of the FET cell flows to the specified current value. Add a wave or triangle wave. When the source current reaches a predetermined value, the output from the comparator 35 measures the gate voltage V G, the voltage applied to the electrodes to zero volts. These controls are controlled by the microcomputer 38
Done through. The injection into the carrier floating electrode is performed by connecting the changeover switch 37 to the W side and applying a predetermined voltage waveform to the substrate, source, drain, and gate of the FET cell.
The setting and application of these predetermined voltage waveforms are performed via the microcomputer 38.

第5図は、ウエハ30上の評価用FETセル20を、X,Y,Z、
3軸可動台41に取付け、光源42からのブロードな波長の
光を、分光器43により単色光に変え、この単色光を試料
表面に照射する。ウエハ上のセル20の位置決めに必要な
光学顕微鏡44と、単色光を一定時間照射するためのシャ
ッター45と、分光器からの高次波を減衰させるフィルタ
ー46、及び、試料への照射光量を一定にするためのモニ
タ用フォトセンサー47、光源の電源48へのフォトセンサ
ー出力の帰還増幅器49から構成されている。
FIG. 5 shows the evaluation FET cells 20 on the wafer 30 as X, Y, Z,
The light is attached to the three-axis movable table 41, and the light of the broad wavelength from the light source 42 is converted into monochromatic light by the spectroscope 43, and the monochromatic light is irradiated on the sample surface. An optical microscope 44 necessary for positioning the cell 20 on the wafer, a shutter 45 for irradiating monochromatic light for a certain time, a filter 46 for attenuating higher-order waves from the spectroscope, and a constant light amount for irradiating the sample And a feedback amplifier 49 for outputting the photosensor to a power source 48 of the light source.

本発明の実施例として、試料に多結晶シリコンとシリ
コン酸化膜で形成された、第1図に示す構造のnチャネ
ル型FETセルを用いて行った実験結果を、第6図〜第9
図に示す。
As an example of the present invention, the results of an experiment performed using an n-channel FET cell having the structure shown in FIG. 1 formed of a polycrystalline silicon and a silicon oxide film on a sample are shown in FIGS.
Shown in the figure.

第6図は、FETセルの浮遊電極にキャリアが注入され
ていない場合のゲート電極からみた、しきい電圧VGとソ
ース電流ISの関係を示す。キャリアの注入は、基板及び
ソース電極を接地し、ゲート及びドレイン電極にFETを
飽和動作させる所定の電圧波形を加える。この時、ドレ
イン近傍の空乏層中の高電界で加速され、シリコンとシ
リコン酸化膜の障壁エネルギー以上のエネルギーを得た
ホットキャリアが、酸化膜中に存在する電界で、シリコ
ン酸化膜中に注入された多結晶シリコンとシリコン酸化
膜界面及び近傍に形成されたトラップに捕獲される。こ
の時のゲート電極からみた、FETセルのしきい電圧V
Gと、ソース電流の関係を図中の破線で示す。この場
合、捕獲されたキャリアは電子である。界面トラップに
電子が捕獲されていない時と、捕獲された時のFETセル
のしきい電圧をVG0,VG1とする。捕獲された状態で、セ
ルの浮遊電極近傍に単色光をt時間照射した時のしきい
電圧をVG(t)とする。
Figure 6 is viewed from the gate electrode in the case where the carrier in the floating electrode of the FET cells not injected, illustrating the relationship between threshold voltage V G and the source current I S. Injecting carriers, the substrate and the source electrode are grounded, and a predetermined voltage waveform for saturating the FET is applied to the gate and drain electrodes. At this time, hot carriers that are accelerated by a high electric field in the depletion layer near the drain and obtain energy equal to or higher than the barrier energy of silicon and the silicon oxide film are injected into the silicon oxide film by the electric field existing in the oxide film. The trap is formed at the interface between and around the polycrystalline silicon and the silicon oxide film. The threshold voltage V of the FET cell as viewed from the gate electrode at this time
The relationship between G and the source current is indicated by a broken line in the figure. In this case, the captured carriers are electrons. The threshold voltages of the FET cell when electrons are not captured by the interface trap and when the electrons are captured are denoted by V G0 and V G1 . In the captured state, the threshold voltage when the monochromatic light is applied to the vicinity of the floating electrode of the cell for t hours is defined as V G (t).

第7図はFETセルのしきい電圧変化の初期値(VG1−V
G0)との比、即ち(VG(t)−VG0)/(VG1−VG0)を
単色光照射時間tとの関係を示す。(VG(t)−VG0
/(VG1−VG0)は、tの指数関数で減衰している。この
関係より、(VG(t)−VG0)/(VG1−VG0)が1/e≒0.
37(eは自然対数の底)に減衰する迄の時定数τを求
め、光子のキャリア励起確率ηを求める。次に単色光の
波長即ち、光子エネルギーEを変えて、しきい電圧の減
衰時定数τ(E)を測定し、光子のキャリア励起確率η
(E)を求める。
FIG. 7 shows the initial value (V G1 −V
G0) and the ratio of the show that is, the relationship between the monochromatic light irradiation time t a (V G (t) -V G0 ) / (V G1 -V G0). (V G (t)-V G0 )
/ (V G1 −V G0 ) is attenuated by an exponential function of t. From this relationship, (V G (t) -V G0) / (V G1 -V G0) is 1 / e ≒ 0.
The time constant τ until the decay to 37 (e is the base of natural logarithm) is obtained, and the carrier excitation probability η of the photon is obtained. Next, the wavelength of monochromatic light, that is, the photon energy E is changed, and the decay time constant τ (E) of the threshold voltage is measured, and the carrier excitation probability η of the photon is determined.
(E) is obtained.

第8図は光子のキャリア励起確率η(E)の光子エネ
ルギーE依存性を示す。このときシリコン酸化膜の伝導
帯を基準として光子エネルギーEを考える。η(E)の
関数として近似式を求め、 より、トラップ密度nIT(E)のエネルギー分布が求め
られる。
FIG. 8 shows the photon energy E dependency of the photon carrier excitation probability η (E). At this time, the photon energy E is considered based on the conduction band of the silicon oxide film. Find an approximate expression as a function of η (E), Accordingly, the energy distribution of the trap density n IT (E) is obtained.

第9図に多結晶シリコンとシリコン酸化膜の界面に形
成された電子トラップ準位密度の分布を示す。図中の破
線は、同一試料に高温放置試験をして、劣化させた時の
電子トラップ準位密度の分布を示す。熱ストレスにより
シリコンのバンドギャップ中でトラップ準位密度は伝導
帯側で若干、減少し、中央から価電子帯にかけて増加し
ていることが分かる。又、この時のトラップ密度も1011
/cm2オーダーであり、シリコン基板とシリコン酸化膜の
界面準位密度の数値に近い。尚、PチャネルFETセルを
用い、ホールを多結晶シリコンとシリコン酸化膜界面に
形成されたトラップに捕獲させることにより、ホールト
ラップ準位密度が求められることは言うまでもない。
FIG. 9 shows the distribution of the electron trap level density formed at the interface between the polycrystalline silicon and the silicon oxide film. The broken line in the figure shows the distribution of electron trap state densities when the same sample was subjected to a high-temperature storage test and deteriorated. It can be seen that the trap level density slightly decreases on the conduction band side in the band gap of silicon due to thermal stress, and increases from the center to the valence band. Also, the trap density at this time was 10 11
/ cm 2 order, which is close to the value of the interface state density between the silicon substrate and the silicon oxide film. It is needless to say that the hole trap level density is obtained by using a P-channel FET cell to trap holes in traps formed at the interface between the polycrystalline silicon and the silicon oxide film.

上記、第1図から第3図に示した構造を有する評価用
FETセルを、ウエハ上あるいはチップ上に設置した例を
第10図、及び第11図に示す。
For evaluation, having the structure shown in FIGS. 1 to 3 above
FIGS. 10 and 11 show examples in which the FET cell is installed on a wafer or a chip.

第10図は、評価用FETセル20を、ウエハ30のスクライ
ブエリア51、あるいはウエハ周辺上のチップ未収得部分
52に設置した例を示す。
FIG. 10 shows an example in which the evaluation FET cell 20 is stored in the scribe area 51 of the wafer 30 or in a portion where the chip has not been obtained on the wafer periphery.
An example of installation at 52 is shown.

第11図は、集積回路チップ50上で、マスク合わせ用タ
ーゲット部分53や、集積回路を構成する素子、電極、配
線のない空白部に評価用FETセル20を設置した例を示
す。DRAM、及び、SRAM等のMOSメモリをはじめとしたLSI
に於て、上記した評価用FETセルをLSIウエハ、あるいは
チップ上に設置し、本発明の評価方法を用いることによ
り、半導体と絶縁膜の界面、及び、異なる絶縁材からな
る絶縁膜界面を評価できる。
FIG. 11 shows an example in which an evaluation FET cell 20 is placed on a mask alignment target portion 53 or a blank portion without elements, electrodes, and wirings constituting an integrated circuit on an integrated circuit chip 50. LSI including MOS memory such as DRAM and SRAM
In the above, the above-described evaluation FET cell was placed on an LSI wafer or chip, and the evaluation method of the present invention was used to evaluate the interface between the semiconductor and the insulating film and the interface between the insulating films made of different insulating materials. it can.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、極めて微小面積で、微小容量の浮遊
電極を有するFETセルを用いて、実際の半導体製造プロ
セスを経て製作された試料の、半導体絶縁膜界面の評価
が正確にできる。現在のMOSメモリをはじめLSI製品の多
結晶シリコンとシリコン酸化膜、異なる二種の絶縁膜界
面の評価ができ、シリコン酸化膜、及び、多結晶シリコ
ン薄膜、絶縁膜形成のプロセス条件の最適化、素子の高
性能化ができる。更に、将来のSOI技術、新半導体材
料、絶縁材料の選択、製造プロセス条件のための評価法
として活用できる。更に、本構造のFETセルをウエハ上
に分散配置しておくことにより、プロセスの評価、ウエ
ハ内のばらつき評価、さらには、ロット間のばらつきが
モニタでき、品質向上に寄与する。
According to the present invention, it is possible to accurately evaluate a semiconductor insulating film interface of a sample manufactured through an actual semiconductor manufacturing process using an FET cell having an extremely small area and a minute capacitance of a floating electrode. It is possible to evaluate the interface between two types of insulating films, polycrystalline silicon and silicon oxide film of LSI products including current MOS memory, and to optimize the process conditions for forming silicon oxide film, polycrystalline silicon thin film and insulating film. The performance of the device can be improved. In addition, it can be used as an evaluation method for future SOI technology, selection of new semiconductor materials and insulating materials, and manufacturing process conditions. Further, by distributing the FET cells of the present structure on the wafer, it is possible to evaluate the process, evaluate the variation in the wafer, and monitor the variation between lots, thereby contributing to quality improvement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図乃至第3図は本発明の一実施例の浮遊電極を有す
るFETセルの縦断面図、第4図はFETセルのしきい電圧測
定と浮遊電極へキャリア注入するための電気回路を示す
ブロックダイヤ図、第5図はセルの浮遊電極近傍へ一定
光量で単色光を一定時間照射するための光学系ブロック
ダイヤ図、第6図は浮遊電極のキャリアの有無によるFE
Tのソース電流とゲート電圧の変化を示す図、第7図はF
ETセルのしきい電圧の単色光照射時の減衰特性を示す
図、第8図は光子のキャリア励起確率ηの光子エネルギ
ーE依存性を示す図、第9図は電子トラップ準位密度の
エネルギー分布を示す図、第10図は評価用FETセルのウ
エハ上への設置例を示す図、第11図は評価用FETセルの
チップ上への設置例を示す図である。 1……シリコン基板、2……埋込み層、3……ソース、
4……ドレイン、5……チャンネル領域、6……絶縁
層、7……浮遊電極、8……絶縁膜、9……ゲート電
極。
1 to 3 are longitudinal sectional views of an FET cell having a floating electrode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 shows an electric circuit for measuring a threshold voltage of the FET cell and injecting carriers into the floating electrode. FIG. 5 is a block diagram of an optical system for irradiating a monochromatic light with a constant light amount to the vicinity of the floating electrode of the cell for a certain period of time, and FIG.
FIG. 7 shows a change in the source current and the gate voltage of T, and FIG.
FIG. 8 shows the attenuation characteristics of the threshold voltage of the ET cell when irradiated with monochromatic light, FIG. 8 shows the dependence of the carrier excitation probability η of photons on the photon energy E, and FIG. 9 shows the energy distribution of the electron trap level density. FIG. 10 is a view showing an example of installation of an evaluation FET cell on a wafer, and FIG. 11 is a view showing an example of installation of an evaluation FET cell on a chip. 1 ... silicon substrate, 2 ... buried layer, 3 ... source,
4 ... drain, 5 ... channel region, 6 ... insulating layer, 7 ... floating electrode, 8 ... insulating film, 9 ... gate electrode.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板のソース,ドレインを有し、あ
るいは、絶縁膜上に堆積させた非品質シリコンを結晶化
させた薄膜中にソース,ドレインを有すると共に、ソー
ス,ドレイン間の基板、あるいは薄膜上に、評価対象と
する絶縁膜と半導体からなる界面を有し、あるいは異な
る二層の絶縁膜界面を有し、この上を絶縁膜で被覆し、
この上にゲート電極を設けた製造のMISFET(Metal Insu
lator Semiconductor Field Effect Tranistor)におい
て、上記評価対象とする絶縁膜と半導体、あるいは、異
なる二層の絶縁膜からなる界面、及び、その近傍に形成
されたトラップに、キャリア注入前後のゲート電極から
みたFETのしきい電圧VG0,及びVG1とするとき、トラップ
にキャリア捕獲後に、この界面及び近傍に光子エネルギ
ーEの単色光を時間tだけ照射謝させ、キャリアを励
起、消失させたときの該FETのしきい電圧VG(t)の変
化より(VG(t)−VG0)/(VG1−VG0)の減衰時定数
を求め、この時定数より単色光の光子のキャリア励起確
率ηを求め、ηをEの関数として近似式を求め、これよ
り、トラップ順位密度のエネルギー分布、及びトラップ
準位密度を求めることを特徴とするMIS界面評価法。
A semiconductor substrate having a source and a drain, a source and a drain in a thin film obtained by crystallizing non-quality silicon deposited on an insulating film, and a substrate between the source and the drain, or On the thin film, having an interface composed of an insulating film and a semiconductor to be evaluated, or having two different insulating film interfaces, and covering this with an insulating film,
A MISFET (Metal Insu
In the field effect transistor (FET), the interface between the insulating film to be evaluated and the semiconductor, or the interface formed of two different insulating films, and the trap formed in the vicinity of the interface, the FET viewed from the gate electrode before and after the carrier injection. When the threshold voltages V G0 and V G1 are set, after trapping carriers in the trap, the interface and the vicinity thereof are irradiated with monochromatic light of photon energy E for a time t, and the FETs when the carriers are excited or eliminated are excited. Determination of the decay time constant of the threshold voltage than the change in V G (t) (V G (t) -V G0) / (V G1 -V G0), the carrier excitation probability of photons of monochromatic light from the time constant η MIS interface evaluation method, wherein an approximate expression is obtained by using η as a function of E, and the energy distribution of trap order density and the trap level density are obtained therefrom.
【請求項2】評価用試料であるMISFETのしきい電圧の測
定手段、評価対象とする半導体と絶縁膜界面及び近傍、
あるいは異なる絶縁膜界面及び近傍に形成されたトラッ
プにキャリアを注入する手段、光量一定の単色光を試料
表面に一定時間照射する手段と、上記FETのしきい電圧
減衰の時定数から光子のキャリア励起確率ηを算出し、
上記界面及び近傍に形成されたトラップ準位密度と、そ
のエネルギー分布を求めるための演算手段とから構成さ
れたことを特徴とするMIS界面評価装置。
2. A means for measuring a threshold voltage of a MISFET as an evaluation sample, an interface between a semiconductor to be evaluated and an insulating film and its vicinity,
Alternatively, means for injecting carriers into traps formed at and near different insulating film interfaces, means for irradiating the sample surface with a constant amount of monochromatic light for a fixed time, and carrier excitation of photons based on the time constant of the threshold voltage decay of the FET. Calculate the probability η,
An MIS interface evaluation device, comprising: a trap level density formed at the interface and the vicinity thereof; and arithmetic means for obtaining an energy distribution thereof.
【請求項3】特許請求の範囲第1項において記述された
構造の評価用MISFETをウエハ上のチップ歩留りを低下さ
せない領域、例えば、ウエハの円周部、あるいは、スク
ライブエリア等の領域に分散配置させ、半導体と絶縁
膜、あるいは、異なる絶縁膜の界面及び近傍に形成され
たトラップ密度に関する情報を得ることを特徴とする半
導体製造方法。
3. The MISFET for evaluation of the structure described in claim 1 is dispersedly arranged in a region on the wafer which does not lower the chip yield, for example, a circumferential portion of the wafer or a scribe area. And obtaining information on the density of traps formed at and near the interface between the semiconductor and the insulating film or between different insulating films.
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